專利名稱：低電容光電二極管元件和計算機(jī)斷層造影檢測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一般來說，本公開涉及光電二極管元件和光電二極管陣列的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
最常規(guī)的計算機(jī)斷層造影(CT)系統(tǒng)使用包括閃爍器和光電二極管陣列的檢測 器。閃爍器將X射線光子轉(zhuǎn)換成可見光的光子，并且光電二極管陣列將可見光的光子轉(zhuǎn)換 成電信號電流。光電二極管陣列所產(chǎn)生的電信號電流的積分電荷與閃爍器所捕捉的X射線 光子的能量成比例。通常，計算機(jī)斷層造影檢測器中使用的光電二極管陣列包括采取諸如16X16、 16X32、16X64和24X64之類的排列的多個光電二極管元件。光電二極管陣列通常耦合到 閃爍器陣列。光電二極管陣列的每個光電二極管元件一般大約為Imm寬和Imm長。這通常 導(dǎo)致每個光電二極管元件有大約IOpF至15pF的范圍內(nèi)的電容。為了產(chǎn)生具有高時間分辨率的圖像，存在提高CT系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)的速度的一貫壓 力。另外，為了患者安全，希望減少產(chǎn)生臨床有用圖像所需的X射線光子量。減少檢測器所 產(chǎn)生的噪聲可有助于提高獲取速度以及降低產(chǎn)生滿意圖像所需的X射線劑量。圖像噪聲的 顯著來源之一是檢測器所產(chǎn)生的電子噪聲。降低檢測器所引起的電子噪聲的一種方式是減 小光電二極管陣列中的每個光電二極管元件的電容。因此，為了降低電子噪聲，需要開發(fā)較低電容的光電二極管元件和較低電容的光 電二極管陣列，而不損害每個光電二極管元件的響應(yīng)時間。

發(fā)明內(nèi)容
本文針對上述不足、缺點(diǎn)和問題，這通過閱讀和理解以下說明書將會理解。在一個實施例中，光電二極管元件包括具有第一擴(kuò)散類型的第一層以及第二層。 第二層定義電荷收集區(qū)域，所述電荷收集區(qū)域包括第二擴(kuò)散類型的活性區(qū)以及無活性區(qū)。 活性區(qū)圍繞無活性區(qū)。光電二極管還包括第一層與第二層之間的本征半導(dǎo)體層。在一個實施例中，光電二極管元件包括具有第一擴(kuò)散類型的第一層以及定義電荷 收集區(qū)域的第二層。電荷收集區(qū)域包括第二擴(kuò)散類型的多個活性區(qū)以及無活性區(qū)。將多個 活性區(qū)電互連。光電二極管還包括第一層與第二層之間的本征半導(dǎo)體層。在一個實施例中，計算機(jī)斷層造影檢測器包括用于將χ射線轉(zhuǎn)換成可見光的閃爍 器。計算機(jī)斷層造影檢測器還包括定位成接收來自閃爍器的可見光的光電二極管陣列。光 電二極管陣列包括多個光電二極管元件。多個光電二極管元件中的每個包括具有第一擴(kuò)散 類型的第一層以及第二層。第二層定義電荷收集區(qū)域。電荷收集區(qū)域包括第二擴(kuò)散類型的 活性區(qū)以及多個無活性區(qū)?；钚詤^(qū)圍繞多個無活性區(qū)。多個光電二極管元件中的每個還包 括設(shè)置在第一層與第二層之間的本征半導(dǎo)體層。通過附圖及其詳細(xì)描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會清楚地知道本發(fā)明的各種其它特 征、目的和優(yōu)點(diǎn)。


圖1是根據(jù)--個實施例的計算機(jī)斷層造影檢測器的截面的示意表示
圖2是根據(jù)--個實施例的光電二二極 f陣列的示意表示；
圖3是根據(jù)--個實施例的光電二二極 f元件的示意表示；
圖4是根據(jù)--個實施例的光電二二極 f元件的截面的示意表示；
圖5是根據(jù)--個實施例的光電二二極 f元件的示意表示；以及
圖6是根據(jù)--個實施例的光電二二極 f元件的截面的示意表示。
具體實施例方式在以下詳細(xì)描述中，參照構(gòu)成其部分的附圖，附圖中通過舉例說明的方式示出可 實施的具體實施例。對這些實施例進(jìn)行了充分詳細(xì)的描述，以便使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠 實施實施例，并且要理解，可采用其它實施例，可進(jìn)行邏輯、機(jī)械、電氣及其它變更，而沒有 背離實施例的范圍。因此，以下詳細(xì)描述不要視為限制本發(fā)明的范圍。參照圖1，根據(jù)一個實施例示出計算機(jī)斷層造影檢測器10的截面的示意表示。計 算機(jī)斷層造影檢測器10包括閃爍器陣列12和光電二極管陣列14。閃爍器陣列12被設(shè)計 成將χ射線光子轉(zhuǎn)換成可見光的光子。閃爍器陣列12可包括由石榴石水晶與稀土磷組合 所形成的材料。其它實施例可將不同的材料用于閃爍器陣列12，例如氧硫化釓。閃爍器陣 列12可包括大約Imm至5mm厚的層，如尺寸16所示。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)其 它實施例，閃爍器陣列12的厚度可超出這個范圍。閃爍器陣列12的厚度將取決于為閃爍 器陣列12所選的材料以及閃爍器陣列12將被預(yù)期轉(zhuǎn)換成可見光的光子的χ射線光子的預(yù) 期能級。光電二極管陣列14包括多個光電二極管元件17。圖1中示意表示6個光電二極 管元件17的截面。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，計算機(jī)斷層造影檢測器中使用的光電二極 管陣列可包括明顯多于6個光電二極管。參照圖2，示出光電二極管陣列18的示意表示。光電二極管陣列18包括多個光電 二極管元件19。光電二極管陣列18包括光電二極管元件19的16X16陣列。光電二極管 元件19中的每個能夠響應(yīng)檢測到光而產(chǎn)生信號。光電二極管元件19的大小限制光電二極 管陣列18的最大分辨率。為此，光電二極管元件19有時被本領(lǐng)域的技術(shù)人員稱作像素或單元。根據(jù)一個實施例，每個光電二極管陣列可配置為分開的檢測器模塊的一部分。根 據(jù)一個示范實施例，檢測器模塊中的每個光電二極管陣列可在X方向包括16個光電二極管 元件以及在ζ方向包括64個光電二極管元件。應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)附加實施例，光電二極管陣 列可在χ方向和/或ζ方向具有不同數(shù)量的光電二極管元件。參照圖3，根據(jù)一個實施例示出光電二極管元件20的示意表示。參照圖4，根據(jù)一 個實施例示出從圖3沿剖面線A-A的光電二極管元件20的截面圖的示意表示。共同的參 考標(biāo)號將用于標(biāo)識圖3和圖4中都出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。參照圖3和圖4，光電二極管元件20包括第一層22、第二層24和本征半導(dǎo)體層26。 第一層22由具有N+擴(kuò)散的摻雜硅半導(dǎo)體制成。為了本公開的目的，術(shù)語“N+擴(kuò)散”被定義成包括具有自由電子余量的半導(dǎo)體材料。根據(jù)一個實施例，第一層22的厚度小于0.5 μ m， 并且附到陰極27。本征半導(dǎo)體層26可包括硅或者為本征半導(dǎo)體的其它材料。根據(jù)一個實 施例，第二層24的厚度可小于10 μ m。根據(jù)一個實施例，第二層24的厚度可在2 μ m與5 μ m 之間。第二層24包括活性體積28和多個無活性體積30?；钚泽w積28可包括具有P+擴(kuò) 散的摻雜硅半導(dǎo)體。為了本公開的目的，術(shù)語“P+擴(kuò)散”被定義成包括具有空穴余量的半導(dǎo) 體材料?；钚泽w積28連接到陽極31。多個無活性體積30中的每個可包括未摻雜半導(dǎo)體。 多個無活性體積30可包括與本征半導(dǎo)體層26相同的材料。為了本公開的目的，第二層24 的厚度可通過活性體積28的厚度來確定。例如，參照圖3，第二層24的厚度通過活性體積 28的厚度來定義，根據(jù)一個實施例，活性體積28的厚度大約為3 μ m。第二層24定義電荷收集區(qū)域29。根據(jù)一個實施例，圖3是光電二極管元件20的 電荷收集區(qū)域29的表示。為了本公開的目的，術(shù)語“電荷收集區(qū)域”被定義成包括光電二極 管元件中被設(shè)計成收集通過到達(dá)光電二極管元件的光的輸入光子所產(chǎn)生的載荷子的區(qū)域。 例如，如果光的光子到達(dá)電荷收集區(qū)域29內(nèi)的光電二極管元件20，則光電二極管元件20被 設(shè)計成作為光電流來檢測光的光子?；钚泽w積28定義電荷收集區(qū)域29內(nèi)的活性區(qū)32。多 個無活性體積30定義電荷收集區(qū)域29內(nèi)的多個無活性區(qū)33。光電二極管元件20可通過 摻雜本征半導(dǎo)體以形成第一層22和第二層24來形成。根據(jù)一個實施例，在摻雜過程中，屏 蔽掉多個無活性區(qū)33，并且僅對活性體積28摻雜以獲得P+擴(kuò)散。活性體積28在第二層 24內(nèi)的不同深度處具有一般一致的截面，如圖4所示。根據(jù)圖3和圖4所示的實施例，活性區(qū)32可包括網(wǎng)格34。網(wǎng)格34包括4個橫檔， 它們通過兩個側(cè)板相互連接。網(wǎng)格34圍繞多個無活性區(qū)33。為了本公開的目的，術(shù)語“網(wǎng) 格”被定義成包括一種圖案，其中包含與沿第二方向延伸的第二組一般平行的線條相交的 沿第一方向延伸的第一組一般平行的線條。網(wǎng)格34上的4個橫檔中的每個為44 μ m寬，如 尺寸35所示，并且橫檔通過側(cè)板連接，側(cè)板也為44 μ m寬，如尺寸36所示。4個橫檔中的每 個分隔開200 μ m,如尺寸38所示。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，其它實施例可具有成形為 具有與圖3和圖4所示的實施例不同的尺寸的網(wǎng)格的活性區(qū)。另外，其它實施例可具有不 是成形為網(wǎng)格的活性區(qū)。下面將論述影響活性區(qū)32的形狀和尺寸的一些限制。光電二極管元件通過將光的光子轉(zhuǎn)換成可測量的光電流來工作。當(dāng)光的光子在 本征半導(dǎo)體層26中被吸收時，光電二極管20創(chuàng)建自由電子和空穴。仍然參照圖3和圖4， 空穴向陽極31擴(kuò)散，在那里空穴被收集。同時，自由電子向陰極27擴(kuò)散，在那里電子被收 集。如前面所述，陽極31電耦合到活性體積28，并且陰極27電耦合到第一層22。自由電 子和空穴的移動創(chuàng)建光電流，它與光電二極管中吸收的光通量成比例，并且因而與閃爍器 中吸收的χ射線強(qiáng)度成比例。光電二極管所吸收的光子的能級和/或數(shù)量可根據(jù)光電流來 確定。根據(jù)一個實施例，第一層22是具有N+擴(kuò)散的摻雜半導(dǎo)體。N+擴(kuò)散表示第一層22中 的材料具有比空穴多的自由電子。第二層24的活性體積28包括具有P+擴(kuò)散的摻雜半導(dǎo) 體。第二層24還包括多個無活性體積30。為了確保第二層24保持其電荷收集能力，重要 的是，多個無活性區(qū)33中的每個內(nèi)沒有點(diǎn)離活性區(qū)32太遠(yuǎn)。只要多個無活性區(qū)33中的每 個中的所有點(diǎn)都在活性區(qū)32的載流子擴(kuò)散長度之內(nèi)，則朝陽極31移動的電子將會被吸引 到活性區(qū)32的最接近部分，并且光電二極管的電荷收集能力將近似相同，好像整個電荷收 集區(qū)域29包括具有P+擴(kuò)散的活性區(qū)。
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仍然參照圖3和圖4，空穴花時間穿過半導(dǎo)體，以便在陽極被收集。通過限制本征 半導(dǎo)體層26的厚度并且還對無活性區(qū)33的大小進(jìn)行限制，能夠設(shè)計具有合理響應(yīng)時間的 光電二極管元件。例如，根據(jù)一個實施例，對于被設(shè)計成用于計算機(jī)斷層造影檢測器中的 光電二極管元件，希望具有大約IOyS的響應(yīng)時間。實驗結(jié)果表明，空穴在硅半導(dǎo)體中的 200 μ m間隙上擴(kuò)散需要大約10 μ S或更少的時間。因此，如果希望具有10 μ S的響應(yīng)時間， 則重要的是，對于多個無活性區(qū)中的每個，最短載流子擴(kuò)散距離為200μπι或以下。為了本 公開的目的，術(shù)語“最短載流子擴(kuò)散距離”被定義成包括從無活性區(qū)中的任何點(diǎn)到活性區(qū)的 最短直線路徑。因此，如果最短載流子擴(kuò)散距離對于無活性區(qū)為200 μ m,則無活性區(qū)內(nèi)的所 有點(diǎn)都在活性區(qū)的200 μ m之內(nèi)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可能希望具有比10 μ S明顯 更快的響應(yīng)時間。為了設(shè)計具有小于10μ S的響應(yīng)時間的光電二極管元件，最短載流子擴(kuò) 散距離必須是比200 μ m更小的值。同樣，如果光電二極管不需要快的響應(yīng)時間，則有可能 具有更大的無活性區(qū)，其中無活性區(qū)內(nèi)的某些點(diǎn)離活性區(qū)的最接近部分超過200 μ m。仍然參照圖3和圖4所示的實施例，多個無活性區(qū)33中的每個被活性區(qū)32圍繞。 多個無活性體積30中的每個一直貫穿第二層24。對于圖3和圖4所示的實施例，多個無活 性區(qū)33中的每個被活性區(qū)32圍繞。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，其它實施例可具有形狀 與圖3所示的形狀相當(dāng)不同的無活性區(qū)。另外，其它實施例可包括不同數(shù)量的無活性區(qū)。參照圖5，根據(jù)一個實施例示出光電二極管元件44的示意表示。參照圖6，沿剖面 線B-B示出光電二極管元件44的截面的示意表示。共同的參考標(biāo)號將用于標(biāo)識圖5和圖 6中都出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。對于圖5和圖6可能不詳細(xì)描述與先前對于圖3和圖4所描述的那些 元件實質(zhì)上相同的元件。參照圖5和圖6，光電二極管元件44包括第一層46、第二層48和本征半導(dǎo)體層50。 第一層46由具有N+擴(kuò)散的摻雜半導(dǎo)體制成。第一層連接到陰極47。第二層48包括多個 活性體積52和無活性體積54。在其它實施例，第二層可包括多個活性體積和多個無活性 體積。多個活性體積52中的每個包括具有P+擴(kuò)散的摻雜半導(dǎo)體。將多個活性體積52電 互連，并且將多個活性體積52連接到陽極53。多個導(dǎo)電觸點(diǎn)56可用于將多個活性元件52 電互連。根據(jù)一個實施例，多個導(dǎo)電觸點(diǎn)可包括金屬觸點(diǎn)。根據(jù)其它實施例，兩個或更多活 性體積還可通過與活性體積相同的擴(kuò)散類型的擴(kuò)散線來電互連。根據(jù)一個實施例，擴(kuò)散線 可比第一層的厚度明顯要薄。第二層48定義電荷收集區(qū)域49。根據(jù)一個實施例，圖5是光電二極管元件44的 電荷收集區(qū)域49的表示。多個活性體積52定義電荷收集區(qū)域49內(nèi)的多個活性區(qū)55，而無 活性體積54定義電荷收集區(qū)域49內(nèi)的無活性區(qū)57。光電二極管元件44可通過摻雜本征 半導(dǎo)體以形成第一層46和第二層48來形成。根據(jù)一個實施例，多個活性區(qū)55中的每個可均勻地間隔開以形成活性區(qū)的陣列。 多個活性區(qū)55中的每個可大約為80 μ m寬X80 μ m長?；钚詤^(qū)55中的每個可分隔開尺寸 59。根據(jù)一個實施例，分隔活性區(qū)的尺寸59可大約為ΙΟΟμπι。根據(jù)另一個實施例，分隔活 性區(qū)的尺寸59可大約為200 μ m。其它實施例可具有按照不同方式來排列的活性區(qū)55。光電二極管元件的電容取決于(單數(shù)或復(fù)數(shù)個)活性區(qū)的總面積以及(單數(shù)或復(fù) 數(shù)個)活性區(qū)與(單數(shù)或復(fù)數(shù)個)無活性區(qū)之間的邊界的總周長。下式可用于估計(單數(shù) 或復(fù)數(shù)個)活性區(qū)的總面積對電容Cl的影響
其中，ND是半導(dǎo)體的本征摻雜密度；NA是P+摻雜密度；A是(單數(shù)或復(fù)數(shù)個)活 性區(qū)的總面積；Ve(ND，ΝΑ)是PN結(jié)的內(nèi)建電壓；K是玻爾茲曼常數(shù)；T是溫度；ε是硅的介 電常數(shù)；ε ο是自由空間電容率；以及e是電子的單位電荷。另外，下式可用于估計(單數(shù)或復(fù)數(shù)個)活性區(qū)的周長對電容C2的影響C2 = Cp* (Pt)其中，Cp是電容系數(shù)，以及Pt是(單數(shù)或復(fù)數(shù)個)活性區(qū)的周長的總長度。根據(jù)上式，為了使給定的電荷收集區(qū)域的光電二極管元件的電容最小，希望使活 性區(qū)的面積最小，同時還使(單數(shù)或復(fù)數(shù)個)活性區(qū)的周長最小。為(單數(shù)或復(fù)數(shù)個)活 性區(qū)和(單數(shù)或復(fù)數(shù)個)無活性區(qū)選擇的準(zhǔn)確形狀可部分通過使用以上兩個等式來優(yōu)化。 本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對于光電二極管的(單數(shù)或復(fù)數(shù)個)活性區(qū)和(單數(shù)或復(fù)數(shù) 個)無活性區(qū)的最終設(shè)計，也可考慮如預(yù)期響應(yīng)時間之類的其它因素。本書面描述使用包括最佳模式的示例來公開本發(fā)明，并且還使任何本領(lǐng)域的技術(shù) 人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，包括制作和使用任何裝置或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何結(jié)合的方法。本發(fā)明 的可專利范圍由權(quán)利要求來定義，并且可包括本領(lǐng)域的技術(shù)人員想到的其它示例。如果這 類其它示例具有與權(quán)利要求的文字語言無差異的結(jié)構(gòu)元件，或者如果它們包括具有與權(quán)利 要求的文字語言的非實質(zhì)差異的等效結(jié)構(gòu)元件，則它們應(yīng)當(dāng)是在權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。配件表
權(quán)利要求
一種光電二極管元件(20)，包括包括第一擴(kuò)散類型的第一層(22)；定義電荷收集區(qū)域(29)的第二層(24)，所述電荷收集區(qū)域(29)包括第二擴(kuò)散類型的活性區(qū)(32)以及無活性區(qū)(33)，所述活性區(qū)(32)圍繞所述無活性區(qū)(33)；以及設(shè)置在所述第一層(22)與所述第二層(24)之間的本征半導(dǎo)體層(26)。
2.如權(quán)利要求1所述的光電二極管元件(20)，其中，所述活性區(qū)(32)和所述無活性區(qū) (33)被配置成降低所述光電二極管元件(20)的電容。
3.如權(quán)利要求1所述的光電二極管元件(20)，其中，所述第一擴(kuò)散類型包括P+擴(kuò)散。
4.如權(quán)利要求1所述的光電二極管元件(20)，其中，所述第一擴(kuò)散類型包括N+擴(kuò)散。
5.如權(quán)利要求1所述的光電二極管元件(20)，其中，所述活性區(qū)(32)包括網(wǎng)格。
6.如權(quán)利要求1所述的光電二極管元件(20)，其中，所述無活性區(qū)(33)的尺寸由最短 載流子擴(kuò)散距離來確定。
7.一種光電二極管元件(20)，包括 包括第一擴(kuò)散類型的第一層(22)；定義電荷收集區(qū)域(29)的第二層(24)，所述電荷收集區(qū)域(29)包括第二擴(kuò)散類型的 多個活性區(qū)(55)以及無活性區(qū)(57)，所述多個活性區(qū)(55)被電互連；以及 設(shè)置在所述第一層(22)與所述第二層(24)之間的本征半導(dǎo)體層(26)。
8.如權(quán)利要求7所述的光電二極管元件(20)，其中，所述第一擴(kuò)散類型包括P+擴(kuò)散。
9.如權(quán)利要求7所述的光電二極管元件(20)，其中，所述第一擴(kuò)散類型包括N+擴(kuò)散。
10.如權(quán)利要求7所述的光電二極管元件(20)，還包括連接所述多個活性區(qū)中的兩個 的導(dǎo)電觸點(diǎn)(56)。
全文摘要
一種光電二極管元件(20)包括第一擴(kuò)散類型的第一層以及第二層。第二層定義電荷收集區(qū)域(29)。電荷收集區(qū)域(29)包括第二擴(kuò)散類型的活性區(qū)(32)以及無活性區(qū)(33)。活性區(qū)(32)圍繞無活性區(qū)(33)。光電二極管元件(20)還包括第一層與第二層之間的本征半導(dǎo)體層。
文檔編號A61B6/03GK101882626SQ201010178129
公開日2010年11月10日 申請日期2010年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月4日
發(fā)明者A·伊赫列夫, J·A·考策爾, 李文 申請人:通用電氣公司